分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑供配電中的應(yīng)用

張 燁（上海建工四建集團(tuán)有限公司，上海 201103）

發(fā)展清潔能源是“十四五”時(shí)期我國深入實(shí)施能源消費(fèi)和供給革命的重要組成部分。《能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命戰(zhàn)略（2016-2030）》提出，到 2030 年非化石能源占一次能源消費(fèi)比重應(yīng)達(dá)到 20%，2050 年超過 50%。

2021 年 6 月 20 日國家能源局綜合司下發(fā)了《關(guān)于報(bào)送整縣（市、我）屋頂分布式光伏開發(fā)試點(diǎn)方案的通知》，要求黨政機(jī)關(guān)建筑屋頂總面積可安裝光伏發(fā)電比例≥50%；學(xué)校、醫(yī)院、體育場館等公共建筑屋頂總面積可安裝光伏發(fā)電比例 ≥ 40%；工商業(yè)廠房屋頂總面積可安裝光伏發(fā)電比例≥30%。

在此大背景下，研究分布式光伏在建筑及其配電系統(tǒng)中的應(yīng)用，具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)類型及構(gòu)成

光伏發(fā)電系統(tǒng)，是利用半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)，將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能的一種發(fā)電系統(tǒng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要分為離網(wǎng)光伏系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏系統(tǒng)兩大類。

離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能光伏陣列、蓄電池組、充電控制器、逆變器、負(fù)載等組成。其工作原理是，太陽輻射能量經(jīng)過光伏陣列首先被轉(zhuǎn)換成直流電能，然后逆變器變換成合格的交流后給負(fù)載供電。同時(shí)將多余的電能經(jīng)過充電控制器后以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存在儲(chǔ)能裝置中。這樣在日照不足時(shí)，儲(chǔ)存在電池中的能量就可經(jīng)過電力逆變器、濾波和工頻變壓器升壓后變成交流 220 V、50 Hz 的電能供交流負(fù)載使用。

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏陣列、逆變器、負(fù)載和系統(tǒng)監(jiān)控部分組成。其工作原理是，太陽輻射能量經(jīng)過光伏陣列首先被轉(zhuǎn)換成直流電能，進(jìn)過逆變器逆變后向電網(wǎng)輸出與電網(wǎng)電壓相頻一致的正弦交流電流。

以上兩種光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大我別就在于，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)直接與電網(wǎng)相連接，因而光伏陣列的電量盈余與并聯(lián)電網(wǎng)可以實(shí)行互補(bǔ)，省去了獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中必需的蓄電池等儲(chǔ)能元件，不僅降低了系統(tǒng)成本，而且保證了系統(tǒng)的可靠性。

太陽能發(fā)電的特點(diǎn)是白天發(fā)電，而負(fù)載往往卻是全天候用電，因此在獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能元件必不可少，目前工程上使用的儲(chǔ)能元件主要是蓄電池。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑中應(yīng)用型式

目前光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑中的應(yīng)用主要為：光伏組件與建筑結(jié)合（BAPV）、光伏組件建筑一體化（BIPV）、非建筑場景，三種型式。

（1）光伏系統(tǒng)與建筑相結(jié)合，即 BAPV。是利用封裝好的光伏組件安裝在已有的建筑物的屋頂上，再通過與逆變器、蓄電池、控制器、負(fù)載、并網(wǎng)箱等裝置相聯(lián)組成完整的發(fā)電系統(tǒng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)只是建筑物的附屬物，不屬于建筑物本體的組成部分。

（2）光伏組件建筑一體化（BIPV）。該型式是將光伏組件與建筑材料集成化，是光伏組件和建筑的結(jié)合，我別在于將光伏組件和建筑集成為不可分割的一部分，組件兼具發(fā)電、裝飾和建材功能，不以發(fā)電性能作為唯一考量標(biāo)準(zhǔn)，即用光伏組件來做建筑物的屋頂、外墻和窗戶等。

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑供配電中應(yīng)用

光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑物內(nèi)的配電系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用的方式型式較多現(xiàn)舉其中最常見的型式說明如下。

（1）自發(fā)自用余電上網(wǎng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電源后接入光伏并網(wǎng)箱（箱內(nèi)設(shè)光伏發(fā)電計(jì)量表），然后接入建筑物內(nèi)的總配電箱內(nèi)，供建筑物內(nèi)部的用電設(shè)備使用，如有多余的電量則通過配電箱的總進(jìn)線輸送至附近的電網(wǎng)系統(tǒng)，賣給電網(wǎng)公司。在總配電箱與電網(wǎng)系統(tǒng)連接處設(shè)置雙向電度計(jì)量表。

（2）電量全額上網(wǎng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電源后接入光伏并網(wǎng)箱（箱內(nèi)設(shè)光伏發(fā)電計(jì)量表），然后接入建筑物與外部公共電網(wǎng)的連接點(diǎn)處。所發(fā)電量全部賣給電網(wǎng)公司。

4 某工程實(shí)例設(shè)計(jì)方案

4.1 設(shè)計(jì)方案

在某工程建筑物的屋頂面積為 1 200 m2，實(shí)際可利用面積約為 1 000 m2，為了響應(yīng)國家低碳減排的能源政策，建設(shè)一套自發(fā)自用余電上網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)，組件采用的 540 Wp單晶硅組件，共計(jì) 260 塊，安裝容量約 140.6 kW。

光伏組件采用配重塊＋支架型式安裝，組件傾角 10°，組件每 18～20 塊為一串，接入一臺(tái) 110 kW 組串式逆變器，逆變器再接入并網(wǎng)柜內(nèi)，然后通過并網(wǎng)柜接入原有低壓配電柜。本光伏電站接入系統(tǒng)方案，按照就近接入，就地平衡消納的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，光伏電站擬以 400 V 電壓等級出線接入電網(wǎng)。

4.2 400 V 并網(wǎng)主要電氣設(shè)備

4.2.1 光伏組件

單面單晶硅 540 Wp 光伏組件

峰值功率： 540 Wp

峰值電壓： 41.65 V

峰值電流： 12.97 A

開路電壓： 49.5 V

短路電流： 13.85 A

組件效率： 21.1%

4.2.2 組串式逆變器

MPPT電壓范圍：250-1 000 V

輸入組串路數(shù)：20

MPPT數(shù)量：4

額定輸出功率：110 kW

最大有功功率： 121 kW

額定輸出電壓：400 V

最大輸出電流：174.7 A

最大效率：98.60%～99.01%

中國效率：98.30%～98.52%

4.2.3 400 V 并網(wǎng)開關(guān)柜

根據(jù)電網(wǎng)相關(guān)要求，配置 3＋N 斷路器，配置隔離開關(guān)、浪涌保護(hù)器、計(jì)量表。出線斷路器具有易操作、明顯開斷指示、開斷故障電流能力的功能。同時(shí)具備失壓跳閘、過壓跳閘及檢有壓合閘功能，失壓跳閘定值宜整定為 20% Un、10 s，過壓跳閘定值宜整定為 135% Un，檢有壓定值宜整定為大于85% Un。出線斷路器應(yīng)符合Q/GDW1972—2013 《分布式光伏并網(wǎng)專用低壓斷路器技術(shù)規(guī)范》、Q/GDW1973—2013《分布式光伏并網(wǎng)專用低壓斷路器檢測規(guī)范》的要求。電能量計(jì)量表精度要求不低于有功 0.5 S 級，無功 2.0 級，并且要求有關(guān)電流互感器的精度不低于 0.5 S 級。

4.3 防雷、接地及過電壓保護(hù)設(shè)計(jì)

4.3.1 光伏陣列部分

對于屋頂光伏電站來說，光伏陣列的最高點(diǎn)是組件的鋁合金邊框，更容易遭受雷擊，但它也是良好的導(dǎo)電體。因此可以直接利用鋁合金邊框作為接閃器與光伏支架連接，組成等電位網(wǎng)，進(jìn)而與屋頂原有的防雷接地網(wǎng)焊接，形成環(huán)形避雷網(wǎng)。具體的設(shè)計(jì)步驟如下：

4.3.2 組件與橫梁連接

將每塊光伏組件的接地孔通過 1 根 1 mm×4 mm 的黃綠接地線與支架橫梁單獨(dú)連接。

4.3.3 橫梁之間焊接光伏支架橫梁縱向間采用 -40 mm×4 mm 鍍鋅扁鋼焊接起來，焊接部位應(yīng)進(jìn)行防銹處理，每兩根扁鋼間距≤25 m。

4.3.4 等電位網(wǎng)與防雷接地網(wǎng)連接

為了將雷電順利引向大地，還需要將屋頂?shù)入娢痪W(wǎng)與建筑物的防雷接地網(wǎng)連接，利用建筑物原有的接地線引導(dǎo)雷電流。根據(jù) GB50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，“光伏方陣接地應(yīng)連續(xù)、可靠，接地電阻應(yīng)＜4 Ω。”據(jù)此，光伏電站建設(shè)時(shí)，應(yīng)實(shí)測建筑物的防雷接地電阻，若防雷接地電阻＜4 Ω，則用 -40 mm×4 mm 鍍鋅扁鋼將屋頂?shù)入娢痪W(wǎng)焊接至防雷接地網(wǎng)，組成環(huán)形避雷網(wǎng)。

若建筑物接地電阻＞4 Ω，則應(yīng)組建獨(dú)立的防雷接地網(wǎng)，滿足接地電阻＜4 Ω 的要求。

沿建筑物墻體敷設(shè)引下線，引下線兩端分別連接屋頂?shù)入娢痪W(wǎng)和人工環(huán)形接地體，接地體由多個(gè)接地極通過 φ 10圓鋼焊接組成，以避免跨步電壓的產(chǎn)生，接地極由水平接地裝置與垂直接地裝置焊接而成。

在材料選擇和工程施工時(shí)需要注意以下技術(shù)要求。

（1）引下線技術(shù)要求。①引下線宜采用圓鋼或扁鋼，優(yōu)先選用圓鋼，圓鋼直徑 ≥8 mm；扁鋼截面積≥48 mm2，厚度 ≥4 mm，采用熱鍍鋅防腐措施。②建筑物周長＞25 m 或高度 ≥40 m 時(shí)，宜沿著建筑物均勻布置多根引下線，且其間距 ≤25 m。③采用多根引下線時(shí)，為了便于檢測接地電阻和檢查引下線的連接情況，宜在各引下線距地面高 0.3～1.8 m 處設(shè)斷接卡。④防直擊雷的專設(shè)引下線距建筑物出入口或者人行道邊沿不宜＜3 m。

（2）接地裝置技術(shù)要求。①埋于土壤中的垂直接地裝置宜采用熱鍍鋅，角鋼、鋼管或圓鋼；水平接地裝置宜采用熱鍍鋅扁鋼或圓鋼。角鋼截面積≥290 mm2，厚度≥4 mm；圓鋼直徑≥10 mm；扁鋼截面積≥100 mm2，厚度 ≥4 mm；鋼管壁厚≥3.5 mm。②垂直接地裝置的長度宜為 2.5 m，垂直接地裝置及水平接地裝置的間距宜為5 m，當(dāng)受地方限制時(shí)可適當(dāng)減小。③接地裝置在土壤中 的埋設(shè)深度 ≥0.5 m，并宜敷設(shè)在凍土層以下，其距墻或建筑物基礎(chǔ) ≥1 m。

（3）光伏發(fā)電系統(tǒng)過電壓保護(hù)。為防止光伏線路上侵入波雷電壓，在組串式逆變器及并網(wǎng)柜內(nèi)逐級裝設(shè)避雷器。10 kV 及以下電氣設(shè)備以避雷器標(biāo)稱放電電流 5 kV 時(shí)雷電過電壓殘壓為基礎(chǔ)進(jìn)行絕緣配合，滿足 GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)范要求。

在供電設(shè)計(jì)中考慮了多級防雷保護(hù)措施，太陽能電池板支架體和鎧裝電纜中的金屬護(hù)鎧各自接地。

4.4 電纜設(shè)施

4.4.1 電纜敷設(shè)及構(gòu)筑物

根據(jù)建筑物內(nèi)配電室位置，直流線纜至逆變器的路由，為了減少土建部分施工，線纜通過屋面橋架進(jìn)行敷設(shè)并匯總至配電室內(nèi)并網(wǎng)柜，最終接入建筑物現(xiàn)有的低壓配電柜。

4.4.2 電纜選型

根據(jù) GB 50217－2018《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》及《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》對電纜選型的要求，工程對光伏發(fā)電站內(nèi)光伏發(fā)電我域電纜均采用 A 類阻燃電纜，對特別重要的回路，如消防系統(tǒng)、站用直流系統(tǒng)、事故照明系統(tǒng)采用耐火電纜。

對 1 kV 及以下動(dòng)力、控制電纜采用交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜或光伏專用電纜。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)電纜采用網(wǎng)絡(luò)五類線。

4.4.3 電纜防火措施

本工程電纜防火主要采用以下措施：

采用阻燃和耐火電纜；在電纜穿墻的孔洞處采用阻火包或有機(jī)防護(hù)堵料，并在洞兩側(cè)的電纜表層涂防火涂料；

采用架空橋架敷設(shè)方式時(shí)，當(dāng)電纜通過高溫、易燃場所時(shí)采用帶蓋板的耐火槽盒；

電纜溝、建筑物中電纜引至電氣柜、盤或控制屏、臺(tái)的開孔部位，電纜貫穿墻、樓板的孔洞處，均應(yīng)采取防火封堵處理。

4.5 電氣二次保護(hù)

線路保護(hù)主要利用并網(wǎng)點(diǎn)的斷路器來實(shí)現(xiàn)基本的保護(hù)。斷路器需具備短路瞬時(shí)、長延時(shí)保護(hù)功能和和欠壓脫扣、自復(fù)式過欠壓保護(hù)器，線路發(fā)生短路故障時(shí)，線路保護(hù)能快速動(dòng)作，瞬時(shí)跳開斷路器，滿足全線故障時(shí)快速可靠切除故障的要求。

本工程模式為自發(fā)自用余量上網(wǎng)，通過電能量采集終端將并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)電量上傳至電網(wǎng)管理部門以及用戶的控制中心。智能監(jiān)控系統(tǒng)可通過逆變器配置的 4G 通訊棒無線傳輸光伏電站內(nèi)的各類信息，用戶可通過手機(jī)下載逆變器廠家提供的APP 實(shí)現(xiàn)對光伏電站的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4.6 光伏發(fā)電量估算

根據(jù) SolarGIS 數(shù)據(jù)和 Meteonorm 數(shù)據(jù)分析，本光伏電站站址處，10°傾角上總輻射量年平均值為 1 575 kwh/m2。

根據(jù)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 37526—2019《太陽能資源評估方法》以及 GB/T31155—2014《太陽能資源等級總輻射》給出的劃分方法，可判定本工程處太陽能資源很豐富的（B）我域，有很高的開發(fā)利用價(jià)值。光伏電站總體效率暫按 82% 考慮，據(jù)此統(tǒng)計(jì)電站 25 a 的發(fā)電量收益如表1 所示。

表1 電站 25 a 的發(fā)電量收益

由表一可知：25 a 總發(fā)電量為 402.14 萬 KWh，節(jié)約電費(fèi)累計(jì)收益 38.79 萬元，電費(fèi)收益 301.61 萬元，項(xiàng)目發(fā)電量2 860.20 kWh·MW﹣1。25 a 年均發(fā)電量為 16.09 萬 KWh，電費(fèi)收益 12.06 萬元，項(xiàng)目發(fā)電量 114.08 kWh·MW﹣1。

4.7 光伏投資回收年限計(jì)算

本光伏電站所在建筑物用電屬于商業(yè)用電，采用峰、谷、平電價(jià)模式，白天為用電高峰期，用電量較大。根據(jù)前期核算光伏發(fā)電建成后自用電比列可達(dá) 80%，上網(wǎng)電量比列約為 20%。電費(fèi)折算總體綜合電價(jià)為 0.69 元/kWh。

根據(jù)工程竣工決算，本電站單瓦靜態(tài)投資約為 3.45元，整個(gè)工程造價(jià)約為 48.51 萬元，根據(jù)發(fā)電量計(jì)算表可以看出，本電站建成后的第 4 a 的光伏發(fā)電所得的電費(fèi)累計(jì)收益為 51.61 萬元，由此可見本光伏電站投資回收年限很短，具有很高的投資回報(bào)率。

通過本實(shí)例工程可見，利用建筑物屋頂建設(shè)光伏電站，并結(jié)合建筑物現(xiàn)有的配電系統(tǒng)的使用，不僅能實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，還能實(shí)現(xiàn)很高的經(jīng)濟(jì)效益，值得進(jìn)一步深入研究并大力推廣。

5 結(jié) 語

我國人口眾多，建筑體量大，隨著節(jié)能減排、綠色建筑概念的深入，以及公眾對節(jié)能減排的需求，國家及地方對安裝光伏鼓勵(lì)政策逐步出臺(tái)，利用建筑物屋頂資源建設(shè)光伏電站會(huì)得到進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。

隨著新技術(shù)、新材料、新工藝的不斷涌現(xiàn)，光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)成本會(huì)逐年降低，投資回報(bào)率會(huì)進(jìn)一步提高。

光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑物內(nèi)供配電中系統(tǒng)的結(jié)合應(yīng)用也會(huì)因其投資少、回報(bào)率高、占地少、對電網(wǎng)也能起到“削峰填谷”的補(bǔ)充作用，使得光伏發(fā)電與建筑配電相結(jié)合的應(yīng)用具有巨大的應(yīng)用空間。